基于大学课程本体的个性化学习系统开发与应用

摘要：现有的基于本体的个性化学习系统的研究存在若干问题，广泛使用的学习管理系统缺乏描述概念与概念、概念与资源等各种关系的本体处理，而通用的本体编辑器对普通教师而言使用过于复杂。综合使用Flex、Java的Jena API与Moodle的二次开发技术，实现了一个由可视化课程本体编辑工具、课程本体处理子系统和课程管理子系统集成的个性化学习系统，该系统能够较好地解决上述问题。最后给出了该个性化学习系统在课堂教学与提高学生学习成绩方面的实用性与有效性评价及结论。

关键词：大学课程本体；可视化本体编辑器；Moodle系统二次开发；个性化学习

中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）012-0063-02

0引言

自从计算机与人工智能出现以来，教育技术领域对智能教学系统（ITS）的研究便一直没有终止，其中不乏在教学中得到成功应用的优秀成果。然而，这些ITS系统几乎都是针对特殊的一门或几门课程， ITS系统的大规模应用成果始终未有出现。于此同时，随着信息技术的进一步发展及网络教育的普遍开展，涌现出大量优秀的基于Web的在线学习系统，这些学习系统都提供了完善的管理功能，包括学习管理、教师管理、学生管理，以及完整的权限管理机制，但普遍缺乏ITS系统的智能性。为此，一些研究者在基于Web的学习系统中使用课程相关本体，从而在一定程度上实现了“智能教学”。研究者一致建议使用Protégé作为本体编辑工具。但本文研究者在实际应用中发现，让普通教师正确地操作使用Protégé还是有一定的难度。

为解决上述问题，笔者开展了一系列研究，并将研究设计思想应用在教学过程中，对搜集到的数据进行分析，据此进一步调整研究假设。通过不断的学术探究与实际应用研究，最终设计与实现了一个集成3种主流技术的个别化学习系统：富互联网应用的Flex技术、Java语言设计的专用于本体处理的Jena 框架、可扩展的Moodle系统。此外，还使用XML文件、socket 与http协议进行3种技术构成子系统间的数据通信。

1系统架构与典型的应用情境

所设计的系统包括3个子系统，分别为二次开发后的Moodle系统、基于Jena的课程本体处理系统、基于Flex的可视化本体编辑系统，如图1所示。

Moodle系统的二次开发包括对已有课程、词汇、测验、问题与资源模块的修改，对词汇表增加相关词汇、相关资源等字段，对外部资源与试题增加相关概念字段，并对相关操作界面进行修改；新增3个新模块，包括个性化学习建议模块、数据读写API，以及可视化本体编辑工具部署模块。其中，数据读写API提供外部接口处理程序，使外部系统能够通过调用该接口程序进行词汇列表、资源列表，以及各种新增关系的读写操作，实现与大学课程本体处理系统的通信。

基于Jena的大学课程本体处理系统通过调用Moodle系统提供的外部接口程序，获得Moodle数据库中所有课程列表，以及每门课程相关的词汇、资源XML文件，并将之转换为本体文件供可视化本体编缉工具读取相关数据。

可视化本体编辑工具部署在Moodle系统上，使用Moodle的角色管理系统。用户从Moodle中启动该系统之后，该系统首先从基于Jena的本体处理系统中获取所有课程信息，再根据用户在图形用户界面上的操作，向本体处理系统请求相关数据，并以可视化图形形式显示出来。可视化本体编辑工具所能够进行的操作包括检索本体信息，以及对词汇与资源的增、删、改操作。

图2以消息序列图的形式描述该集成系统的一个典型应用情境。

2大学课程本体之顶级本体

本研究使用两个XML Schema文件的形式描述大学课程本体的顶级本体，顶级本体构成如图3所示。在二次开发的Moodle系统和基于Jena的本体处理系统中均保留这两个XML Schema文件，便于相互之间的数据传输。

3系统主要用户界面

3.1二次开发的Moodle系统

二次开发的Moodle系统在原有的词汇表录入、试题编辑等界面上增加相关词汇操作项目，同时新开发个人学习建议用户界面，用于根据学习者的测试结果，为学习者提供测试中错题所对应的相关概念列表，使学习者能够根据测试情况开展有针对性的学习。不同的学习者错题情况不一样，因此获得的学习建议页将不同，从而实现个别化教学。

可视化本体编缉器提供了图形用户接口GUI，帮助用户创建、删除、修改、浏览课程本体构成的下列内容：概念、资源、属性以及他们与概念之间的关系。如图5、图6所示。

图形中间的大圆为焦点概念，周围小圆为焦点概念的相关概念与相关资源，相关概念与相关资源分别以不同颜色、大小的圆形表示。对于新选择的课程，焦点概念为课程名称，双击任何一个相关概念，该概念即成为焦点概念。右击焦点概念弹出浮动菜单，可查看焦点概念的属性，亦可增加相关概念或相关资源。

4应用情境

系统由研究者在混合学习环境下进行了应用评价，应用课程为《计算机科学导论》。在课堂教学开始时，利用可视化本体编辑工具显示当天课程将要学习的主要概念与已学习的相关概念之间的关系。在课程教学结束前，再次利用可视化本体编缉工具将所学习的主要概念进行总结，并预先告知学生下一节课将要学习的主要概念在图示上的位置。

教师在课堂上使用在线测试，通过随机点名，让学生回答系统呈现的客观测试题目，教师在讲台上根据学生的回答进行操作，由系统进行学生答题的判断并给出相应的反馈。基于Moodle的测验系统的使用增强了学生在课堂上的活跃程度。

此外，建议学生课后或实验课上，利用可视化本体编缉工具进行课程内容的预习与复习，利用Moodle系统上的测验进行复习，并发现自己学习中存在的问题。

5评价与结论

本系统是在一系列先期研究结果与实践应用反馈的基础上进行设计与实现的，在系统应用的前两年，研究者便开始在《计算机科学概论》（《计算机导论》的专业班课程）课堂教学中用PPT呈现概念图作为讲课内容的引入与结束时的总结，发现一些学生对概念图的出现非常感兴趣，还用手机将概念图拍摄下来。但期末考试结果与调查问卷数据均显示，单纯使用概念图并没有提高学生的考试成绩和对概念的深入理解。

研究者在其后的《大学计算机基础》（《计算机导论》的全校非专业班课程）中进一步引入基于Moodle的测验，课堂上，大多数学生对于这种形式的教学非常感兴趣，实验课上，部分实验进度较快的学生也会主动进入系统做测试题。期末考试结果与调查问卷数据均显示，基于Moodle系统的测试能够帮助学生提高学习成绩。

由上述前期实验结果可以预测，集成概念图显示的可视化课程本体编辑工具与基于Moodle的测验系统，以及基于测验结果的个别化教学建议功能的使用，一方面提高了学生上课的积极性，另一方面提高了学生的学习成绩。进一步的实验效果研究将在后续课程中开展。

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